第3章-電容式傳感器

1、 電容測量技術近幾年來有很大進展，它不但廣泛電容測量技術近幾年來有很大進展，它不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且，還逐步擴大應用于壓力、差壓、液面、量，而且，還逐步擴大應用于壓力、差壓、液面、成分含量等方面的測量成分含量等方面的測量 。優(yōu)點：優(yōu)點： 結構簡單，體積小，分辨率高，可非接觸結構簡單，體積小，分辨率高，可非接觸測量等。測量等。 缺點：缺點：存在分布電容、存在分布電容、引線電容、引線電容、非線性。非線性。 一、基本工作原理一、基本工作原理 ： 電容式傳感器是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器是一個具有可變參數(shù)的電

2、容器。多數(shù)場合下，電容是由兩個金屬平行板組成并且以多數(shù)場合下，電容是由兩個金屬平行板組成并且以空氣為介質，如圖空氣為介質，如圖31所示所示。d平行板電容器的電容量為：平行板電容器的電容量為： （3-1）ACd式中式中 電容極板問介質的介電常數(shù)電容極板問介質的介電常數(shù) A A兩平行板所覆蓋的面積；兩平行板所覆蓋的面積； d d兩平行板之間的距離；兩平行板之間的距離； 二、變極距型電容式傳感器二、變極距型電容式傳感器 由式由式(31)可知，電容量可知，電容量C與極板距離與極板距離d不是線性關不是線性關系，而是如圖系，而是如圖32所示的雙曲線關系。若電容器極板所示的雙曲線關系。若電容器極板距離由初始

3、值距離由初始值 縮小縮小 ，極板距離分別為，極板距離分別為 和和 其電容量分別為其電容量分別為 和和 即：即： (32) （33）當當 時，時， ，則式（，則式（33）可以簡化為：）可以簡化為： （34）0dd0d0dd0C1C00ACd012000200(1)(1)(1)dAdAACdddddddd 0dd22011dd010000(1)dAddCCCddC1C2C0d1d2d圖圖3-2 由圖由圖32可以看出，當可以看出，當 較小時，對于同樣的較小時，對于同樣的 變化所引起的電容變化量變化所引起的電容變化量 可以增大，從而使傳感可以增大，從而使傳感器的靈敏度提高；器的靈敏度提高； 電容量與極

4、板距離的關系電容量與極板距離的關系0ddC 在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服某在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素些外界因素(例如電源電壓、環(huán)境溫度、分布電容等例如電源電壓、環(huán)境溫度、分布電容等)對測量的影響，常常把傳感器做成差動的形式，其原對測量的影響，常常把傳感器做成差動的形式，其原理如圖理如圖34所示。所示。d1C1d2C2定極板定極板動極板 圖圖34 差動電容傳感器原理差動電容傳感器原理 每課一新每課一新 中國科學院院士、大連理工大學教授王立鼎在日中國科學院院士、大連理工大學教授王立鼎在日前舉行的前舉行的“2004中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨東北中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)

5、展論壇暨東北MEMS(Micro-Electro-Mechanic-System)研發(fā)聯(lián)合體研發(fā)聯(lián)合體研討會研討會”上指出，未來上指出，未來10至至20年將是我國新型傳感器年將是我國新型傳感器技術得到全面、協(xié)調、持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期技術得到全面、協(xié)調、持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期. . 世界上傳感器品種達世界上傳感器品種達3 3萬萬余種，研究、生產(chǎn)單位余種，研究、生產(chǎn)單位50005000余家。我國近年來在國家余家。我國近年來在國家“大力加強傳感器的開大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應用發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應用”等一系列政策導向和等一系列政策導向和支持下，傳感器技術和產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展。目前國

6、支持下，傳感器技術和產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展。目前國內有內有16001600余家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和余家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用，產(chǎn)品應用，產(chǎn)品30003000多種，年總產(chǎn)量超過多種，年總產(chǎn)量超過1313億只，銷售總億只，銷售總額額100100多億多億元。元。 電電容式位移傳感器的基本結構形式，按照將機容式位移傳感器的基本結構形式，按照將機械位移轉變?yōu)殡娙葑兓幕驹恚ǔ０阉鼈兎中滴灰妻D變?yōu)殡娙葑兓幕驹?，通常把它們分為為面積變化型面積變化型、極距變化型極距變化型和和介質變化型介質變化型三類。這三類。這三種類型又可按位移的形式分為三種類型又可按位移的形式分為線位移

7、線位移和和角位移角位移兩兩種。每一種又依據(jù)傳感器的形狀分成種。每一種又依據(jù)傳感器的形狀分成平板型平板型和和圓筒圓筒型型兩種。電容式傳感器也還有其他的形狀，但一般兩種。電容式傳感器也還有其他的形狀，但一般很少見很少見 。差動電容傳感器的結構差動電容傳感器的結構如圖如圖34所示所示( )( )其輸出特性其輸出特性曲線如圖曲線如圖35所示。在零點位置上設置一個可動的接所示。在零點位置上設置一個可動的接地中心電極，它離兩塊極板的距離均為地中心電極，它離兩塊極板的距離均為d。當中心電極。當中心電極在機械位移的作用下發(fā)生位移在機械位移的作用下發(fā)生位移 時，則傳感器電容時，則傳感器電容量分別為量分別為 d1

8、000001111AACCddddddd2000001111AACCddddddd若位移量若位移量 很小，且很小，且 ，上兩式可按級數(shù)，上兩式可按級數(shù)展開，展開，得得: : d01dd23100001()().dddCCddd23200001()().dddCCddd電容量的總變化為電容量的總變化為: 電容量的相對變化為電容量的相對變化為 :31200022().ddCCCCdd32400000022().21()().CdddddCddddd 圖圖35 差動電容傳感器輸出特性曲線差動電容傳感器輸出特性曲線 2420000000002()().()2CCCdCCCddddrCddddCd線性實

9、際線性（）（）（）差動電容式傳感器的相對非線性誤差為：差動電容式傳感器的相對非線性誤差為： 若略去高次項，則若略去高次項，則 與與 近似呈線性關系近似呈線性關系 則靈敏度為則靈敏度為0CC非線性誤差：非線性誤差：靈敏度靈敏度0dd002CdCd00022CdCdddd32400000022().21()().CdddddCddddd 為了比較看出差動電容傳感器的優(yōu)勢，我們分析為了比較看出差動電容傳感器的優(yōu)勢，我們分析一下一下非差動電容傳感器非差動電容傳感器。而對于非差動電容式傳感器而對于非差動電容式傳感器 由式中可見，輸出電容的相對變化量與輸入位移之由式中可見，輸出電容的相對變化量與輸入位移之

10、間呈非線性關系，當略去高次項，得到近似的線性：間呈非線性關系，當略去高次項，得到近似的線性： 230000()() .CdddCddd00CdCd電容傳感器的靈敏度為：電容傳感器的靈敏度為： 0001CdCdKddd若只若只考慮式中的線性項與二次項則考慮式中的線性項與二次項則則其非線性誤差為：則其非線性誤差為：2000()CddCdd232000000000()() .()CddddCdddddrddddddd比較可見，電容傳感器做成差動式之后靈敏度提高一比較可見，電容傳感器做成差動式之后靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降低了。倍，而且非線性誤差大大降低了。 電容式傳感器的等效電路可以用圖電

11、容式傳感器的等效電路可以用圖36所示電路表示：所示電路表示： LCPRSR 圖中考慮了電容器的損耗和電感效應，圖中考慮了電容器的損耗和電感效應， 為為并聯(lián)損并聯(lián)損耗電阻耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質損耗。這，它代表極板間的泄漏電阻和介質損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。抗減小，其影響就減弱。 代表代表串聯(lián)損耗串聯(lián)損耗，即，即引線電阻引線電阻，電容器支架和極板，電容器支架和極板的電阻。的電阻。電感電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。由電容器本身的電感和外部引線電感組成。由等效電路可知，等效電路有一個

12、諧振領率，通常由等效電路可知，等效電路有一個諧振領率，通常為幾十兆赫，當工作頻率等于或接近諧振頻率時，為幾十兆赫，當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，應該選擇諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，應該選擇低于諧振頻率的工作頻率，否則電容傳感器不能正低于諧振頻率的工作頻率，否則電容傳感器不能正常工作。常工作。PRSR 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，不便于傳儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，不便于傳

13、輸。輸。這就必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，這就必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流并將其轉換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或者頻率。或者頻率。電容電容轉換電路有轉換電路有調頻電路調頻電路、運算放大器式電路運算放大器式電路、二極管雙二極管雙T型交流電橋型交流電橋、脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路等。等。 一、調頻測量電路：一、調頻測量電路： 調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。的一部分。如下圖所示：如下圖所示：振 蕩 器C x限 幅 放 大 器f u鑒 頻 器f C x電 容

14、變 換 器uL直放式調頻電路直放式調頻電路 當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒頻器，將頻率的變化轉換為振不易校正，因此加入鑒頻器，將頻率的變化轉換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。下來。C0振蕩器緩沖放大器變頻本機震蕩中頻放大鑒想器放大輸出電容傳感器限幅放大外差式調

15、頻電路調頻振蕩器的振蕩頻率為：調頻振蕩器的振蕩頻率為： 12fLCL振蕩回路的電感；振蕩回路的電感；C振蕩回路的總電容振蕩回路的總電容 120CCCCC 為振蕩回路固有電容；為振蕩回路固有電容； 為傳感器引線分布電容；為傳感器引線分布電容； 1C2C0CC為傳感器的電容為傳感器的電容; ; 當被測信號為當被測信號為0時，時， =0，則，則 ，所以振蕩器有一個固有頻率所以振蕩器有一個固有頻率 C120CCCC012012()fL CCC當被測信號當被測信號不不為為0時，時， ，振蕩器頻率有相應變化，振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為：此時頻率為： 0C012012()fffL CCCC每課一新每課

16、一新 MEMS是是Micro Electro-Mechanical System的縮的縮寫，簡稱寫，簡稱“微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)”，其主要特點是體現(xiàn)在，其主要特點是體現(xiàn)在“微微”字上，即字上，即“Micro”上，通常我們認為上，通常我們認為MEMS特征尺特征尺度在亞微米至亞毫米之間。而特征尺度在亞毫米以下度在亞微米至亞毫米之間。而特征尺度在亞毫米以下的機械電子系統(tǒng)，由于量子效應的作用，其理論基礎的機械電子系統(tǒng)，由于量子效應的作用，其理論基礎與加工技術已經(jīng)完全改變，屬于最近幾年來新提出來與加工技術已經(jīng)完全改變，屬于最近幾年來新提出來的的納機電系統(tǒng)（納機電系統(tǒng)（Nano Electro -Mecha

17、nical System,NEMS）的研究范疇。其次，的研究范疇。其次，MEMS的特征的特征也體現(xiàn)在功能上，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，也體現(xiàn)在功能上，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，以提供一種或多種特定功能，具有一定程度上的智能以提供一種或多種特定功能，具有一定程度上的智能化?；＞哂幸韵绿攸c：具有以下特點：一、一、 體積小，精度高，重量輕體積小，精度高，重量輕。能在極小的空間里實現(xiàn)多能在極小的空間里實現(xiàn)多種功能；種功能； 二、二、 性能穩(wěn)定，可靠性高。性能穩(wěn)定，可靠性高。由于由于MEMSMEMS器件的體積極小，器件的體積極小，有些幾乎不受熱膨脹、噪聲和撓曲等因素的影響，具有較高的抗有些幾乎

18、不受熱膨脹、噪聲和撓曲等因素的影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的情況下穩(wěn)定工作。干擾性，可在較差的情況下穩(wěn)定工作。 三、能耗低，靈敏性和工作效率高三、能耗低，靈敏性和工作效率高。完成相同的工作，完成相同的工作，微機電系統(tǒng)所消耗的能量僅為傳統(tǒng)機械的十分之一或幾十分之一，微機電系統(tǒng)所消耗的能量僅為傳統(tǒng)機械的十分之一或幾十分之一，而運作速度卻可達其而運作速度卻可達其1010倍以上，如微型泵的體積可以做到倍以上，如微型泵的體積可以做到5mm5mm5mm5mm0.7mm0.7mm，遠小于小型泵，但其流速卻可以達到小型泵，遠小于小型泵，但其流速卻可以達到小型泵的的10001000倍。由于機電一體的倍。由

19、于機電一體的MEMSMEMS基本上不存在信號延遲等問題，基本上不存在信號延遲等問題，從而更適合高速工作從而更適合高速工作。 四、四、多功能和智能化。多功能和智能化。許多許多MEMSMEMS產(chǎn)品體傳感器產(chǎn)品體傳感器（SensorSensor）、執(zhí)行器（）、執(zhí)行器（ActuatorActuator）和電子控制電路等為一體，）和電子控制電路等為一體，特別是應用智能材料和智能結構后，更利于實現(xiàn)微機械的多功特別是應用智能材料和智能結構后，更利于實現(xiàn)微機械的多功能和智能化。能和智能化。 五、五、可能實現(xiàn)低成本、大批量生產(chǎn)?？赡軐崿F(xiàn)低成本、大批量生產(chǎn)。MEMSMEMS能夠采用與能夠采用與半導體制造工藝類似的

20、生產(chǎn)方法，像超大規(guī)模集成電路芯片一半導體制造工藝類似的生產(chǎn)方法，像超大規(guī)模集成電路芯片一樣，一次制成大量完全相同的零部件制造成本比傳統(tǒng)機械加工樣，一次制成大量完全相同的零部件制造成本比傳統(tǒng)機械加工顯著降低。顯著降低。 由于上述多種優(yōu)點，由于上述多種優(yōu)點，MEMSMEMS器件及產(chǎn)品在科技發(fā)展和經(jīng)濟生器件及產(chǎn)品在科技發(fā)展和經(jīng)濟生活中的意義日益突出，受到世界各國和組織的高高重視，美國、活中的意義日益突出，受到世界各國和組織的高高重視，美國、德國、歐盟、日本和中國等紛紛制定德國、歐盟、日本和中國等紛紛制定MEMSMEMS發(fā)展計劃，政府部門、發(fā)展計劃，政府部門、企業(yè)、科研機械等的積極參與，使企業(yè)、科研機

21、械等的積極參與，使MEMSMEMS的發(fā)展速度日益增快，的發(fā)展速度日益增快，各種材料、工藝、工具等被應用到各種材料、工藝、工具等被應用到MEMSMEMS器件及產(chǎn)品的生產(chǎn)中，器件及產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從而推動了從而推動了MEMSMEMS在在醫(yī)療、汽車、國防、航空航天醫(yī)療、汽車、國防、航空航天等領域得到廣等領域得到廣泛應用。泛應用。 由于運算放大器的放大倍數(shù)由于運算放大器的放大倍數(shù)K非常大而且輸入阻非常大而且輸入阻抗很高運算放大器的這一特點可以作為電容傳感器抗很高運算放大器的這一特點可以作為電容傳感器的比較理想的測量電路，其電路如圖的比較理想的測量電路，其電路如圖38所示：所示：0UiUiIIxIxCiC

22、a-k圖圖3-8運算放大器式電路運算放大器式電路 為電容傳感器。圖中為電容傳感器。圖中a點為虛地點，由于輸入阻抗點為虛地點，由于輸入阻抗 很高，所以很高，所以 ，根據(jù)克?；舴蚨?，可列出如下方，根據(jù)克?；舴蚨?，可列出如下方程：程：xCiZ0I iiiIUj C0 xxIUj CixII 解上面三式得解上面三式得 ：0iixCUUC 如果傳感器是平板電容，則如果傳感器是平板電容，則0 xACd把該式代入上式得：把該式代入上式得： 00iiCUUdA （式（式3-23） 從式從式(323)可知運算放大器的輸出電壓可知運算放大器的輸出電壓 與動與動極板機械位移極板機械位移d(即極板距離即極板距離)

23、成成線性關系線性關系，運算放大器，運算放大器電路解決了單個變極板距離式電容傳感器的非線性問電路解決了單個變極板距離式電容傳感器的非線性問題。式題。式(323)是是 的前提下得到的。的前提下得到的。 0UiZK 由于實際使用的運算放大器的放大倍數(shù)由于實際使用的運算放大器的放大倍數(shù)K和輸入和輸入阻抗阻抗 總是一個有限值，所以，該測量電路仍然存總是一個有限值，所以，該測量電路仍然存在一定的非線性誤差；當在一定的非線性誤差；當K K， 足夠大時，這種誤差足夠大時，這種誤差是相當小的，可以使測量誤差在要求范圍之內，因是相當小的，可以使測量誤差在要求范圍之內，因此，這種電路仍不失其優(yōu)點。此，這種電路仍不失

24、其優(yōu)點。 iZiZ當然除了這些測量電路外還有當然除了這些測量電路外還有交流不平衡電橋、交流不平衡電橋、二極管環(huán)形檢波電路、二極管環(huán)形檢波電路、這些電路由于時間原因這些電路由于時間原因不一一講授，請大家參考相關參考書目。不一一講授，請大家參考相關參考書目。 電容傳感器由于檢測頭結構簡單，可以不用有機電容傳感器由于檢測頭結構簡單，可以不用有機材料和磁性材料構成。所以它能經(jīng)受相當大的溫度變材料和磁性材料構成。所以它能經(jīng)受相當大的溫度變化及各種輻射作用，因而可以在溫度變化大、有各種化及各種輻射作用，因而可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。電容傳感器可以制成非接觸輻射等惡劣環(huán)境下工作。電容傳感

25、器可以制成非接觸式測量器，響應時間短，適合于在線和動態(tài)測量。電式測量器，響應時間短，適合于在線和動態(tài)測量。電容傳感器具有高靈敏度容傳感器具有高靈敏度 因此，電容傳感器近年來甚被重視，它廣泛地被因此，電容傳感器近年來甚被重視，它廣泛地被應用在厚度、位移、壓力、速度、濃度、物位等應用在厚度、位移、壓力、速度、濃度、物位等物理量測量中。下面舉例來說明電容傳感器的應物理量測量中。下面舉例來說明電容傳感器的應用情況。用情況。一、電容式氣體壓力傳感器：一、電容式氣體壓力傳感器： 二、電容式加速度傳惑器：二、電容式加速度傳惑器： 1 1一固定電極，一固定電極，2 2一絕緣墊；一絕緣墊；3 3一質量塊；一質量

26、塊；4 4一彈簧；一彈簧；5 5一輸出端：一輸出端：6 6一殼體一殼體 三、荷重傳感器三、荷重傳感器四、液位傳感器：四、液位傳感器：五、電容式振動傳感器五、電容式振動傳感器六、由差動式電容測厚傳感器構建檢測厚儀六、由差動式電容測厚傳感器構建檢測厚儀 ： 電容式測厚儀的關鍵部件之一就是電容測厚傳感電容式測厚儀的關鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋制過程中由它監(jiān)測金屬板材的厚度變器。在板材軋制過程中由它監(jiān)測金屬板材的厚度變化情況，該厚度量的變化現(xiàn)階段常采用獨立雙電容化情況，該厚度量的變化現(xiàn)階段常采用獨立雙電容測厚傳感器來檢測。它能克服兩電容并聯(lián)或串聯(lián)式測厚傳感器來檢測。它能克服兩電容并聯(lián)或串聯(lián)

27、式傳感器的缺點。應用獨立雙電容傳感器，通過對被傳感器的缺點。應用獨立雙電容傳感器，通過對被測板材在同一位置、同一時刻實時取樣能使其測量測板材在同一位置、同一時刻實時取樣能使其測量精度大大提高。獨立雙電容測厚傳感器一般分為運精度大大提高。獨立雙電容測厚傳感器一般分為運算型電容傳感器和頻率變換型電容傳感器兩種。前算型電容傳感器和頻率變換型電容傳感器兩種。前者對者對0 05 51.01.0mmmm厚度的簿鋼板進行測量，其測量誤厚度的簿鋼板進行測量，其測量誤差小于差小于20 20 ；后者其測量誤差小于；后者其測量誤差小于0.3 。mm圖圖3 31111所示為頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)組所示為頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)組成框圖：成框圖： 變換振蕩器取樣計數(shù)器變換振蕩器I/0電路單片機系統(tǒng)顯示打印C1C21xd2xd0d 圖圖3 311 11 頻率變換型的頻率變換型的測測厚系統(tǒng)組成框圖厚系統(tǒng)組成框圖 變換振蕩器的等效電路為：變換振蕩器的等效電路為：LxC0C將被測電容將被測電容 ， 作為各變換振蕩器的回路